Grupo I Caso Prático (9.0 valores)

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1 2º Teste 12 de Dezembro de 2007 Complementos de Tecnologia Mecânica Mestrado em Engenharia Mecânica Professor Pedro Vilaça 1º Semestre do ano lectivo 2007/2008 Duração: 1h30 Grupo I Caso Prático (9.0 valores) Considere uma empresa de comercialização de gases para aplicação industrial, que desenvolve acções para expandir o seu negócio para aplicações na indústria aeroespacial. Para tal, pretende construir, por fundição, 4 componentes (Cotovelo + Tubo enxertado) constituintes de um sistema estrutural mais complexo de armazenamento de Xe a altas pressões, para aplicação como combustível de satélites, com a configuração representada, na figura seguinte: Considerando que a falha deste componente será catastrófica em termos comerciais, o nível de qualidade exigido à construção fundida é considerado elevado; As dimensões principais encontram-se representadas na figura em unidades de [mm], devendo-se considerar que a espessura média do Cotovelo é de 10mm; A qualidade superficial interna e o rigor dimensional de toda a peça é muito elevado, principalmente no que se refere às espessuras; O Cotovelo é obtido em liga de alumínio (Al-Mg-Si), tendo em vista obter um bom compromisso entre a fluidez durante o processo de vazamento na moldação e a relação: resistência mecânica final versus peso. O Tubo é feito em aço inoxidável austenoferrítico. 1

2 Grupo I (Continuação) Caso Prático 1. (0.5 valores) Caracterize o caso prático de acordo com os seguintes termos: Série a produzir; Nível de qualidade global; Materiais envolvidos; Geometria global e espessura das peças; Rigor dimensional e Acabamento superficial. 2. (3.0 valores) Analise comparativamente a potencialidade de utilização dos processos moldação que conhece, para realizar o componente representado neste caso prático. Inclua na sua resposta uma referência ao tipo de macho que utilizaria e represente esquematicamente a forma de encastramento do enxerto (Tubo em aço inóxidável), sabendo que este tem que resistir a cargas aplicadas de tracção e torção, relativamente ao seu eixo axial. 3. (1.5 valor) Descreva o processo de moldação que resultou do anterior estudo de aplicabilidade, nomeadamente, descrevendo como se realiza e indicando os seus principais componentes, as características de acabamento superficial e rigor dimensional das peças obtidas, permeabilidade aos gases, propriedades térmicas, resistência mecânica e à abrasão e campo de aplicação. 4. (2.0 valores) a) Discuta a susceptibilidade de ocorrência de problemas metalúrgicos (macroestruturas da fundição) e defeitos que conhece, no caso prático em estudo. b) Para os casos de maior susceptibilidade de ocorrerem, refira ainda como procederia para evitar, ou pelo menos diminuir, a referida susceptibilidade de ocorrência. 5. (2.0 valores) Analise comparativamente a aplicabilidade dos processos de Controlo Não-Destrutivo que conhece, no presente caso prático. Que ensaio(s) escolheria para determinar a integridade das peças produzidas? 2

3 Grupo II Perguntas Diversas (5.0 valores) NOTA IMPORTANTE: Nas perguntas seguintes, seleccione de entre as 4 respostas apresentadas, quais as correctas. Tenha em consideração, que o número de respostas correctas pode variar entre 0 e 4. Critério de Avaliação: valores por cada alínea correcta e por cada alínea incorrecta 1. (1.0 valores) Considerando as diversas macrosestruturas de uma peça metálica obtida por fundição (composição química, geometria e tamanho de grão), é possível afirmar o seguinte: a) A zona colunar forma-se a partir da zona coquilhada por competitição entre os grãos em crescimento, prevalecendo os grãos que crescem perpendicularmente às linhas isotérmicas durante o arrefecimento b) Os grãos isentos de impurezas e alongados da zona colunar promovem o melhor nível de propriedades mecânicas que é possível de obter numa peça fundida c) A nucleação homogénea dá origem a uma macrosestrutura da peça fundida de qualidade superior à obtida por via de nucleação heterogénea d) A zona equiaxial central com grão equiaxiais de orientação cristalográfica aleatória é isenta de impurezas e com baixo nível de elementos de liga 2. (1.0 valores) Considerando os diversos processos de moldação, aplicados na tecnologia de fundição de peças metálicas, é possível afirmar o seguinte: a) Todos os processos de moldação destrutiveis, ou não-permanentes, permitem a sua utilização uma só vez, sendo necessariamente destruídos após fase de desmoldação b) No fabrico de grandes séries de peças em aço com elevado rigor dimensional e qualidade superficial são utilizadas moldações permanentes (coquilha metálica) c) A moldação em areia seca tem mais resistência mecânica e permite uma melhor permeabilidade aos gases que a moldação em areia verde d) Todas as alíneas anteriores estão correctas 3. (1.0 valores) Considerando os fornos que se destinam-se à produção de aço, é possível afirmar o seguinte: a) A principal carga dos fornos convertidores são gusas no estado líquido provenientes de outros fornos de fusão, tal como o forno por arco eléctrico b) Os convertidores permitem a conversão de ferro fundido em aço por reacções químicas com a escória c) Durante o processo de afinação dos aços nos fornos convertidores é injectado um gás inerte para baixar o teor em oxigénio e homogenizar a composição d) Os aços obtidos nos fornos Siemens-Martin é de melhor qualidade do que os aços obtidos em fornos convertidores 4. (1.0 valores) Considerando a tecnologia de ligação por adesivos, refira qual o tipo de adesivo que escolheria para uma aplicação estrutural onde fossem requisitos: uma elevada resistência mecânica combinada com uma boa resistência a choques? a) Adesivo Épóxido b) Adesivo Epóxido-Nitrilo c) Adesivo Epóxido-Fenólico d) Adesivo Epóxido-Vinílico 3

4 5. (1.0 valores) Considerando a tecnologia de Controlo Não Destrutivo, é possível afirmar o seguinte: a) Nos ultra-sons convencionais, a diminuição da frequência vai permitir detectar defeitos de menor dimensão mas aumenta o efeito da atenuação b) Para a detecção de defeitos internos de morfologia esférica (p.e.: porosidades) é adequado usar os raios X desde que exista acesso a ambos os lados da peça a inspeccionar c) O ensaio por correntes de Eddy com frequências muito altas permite a detecção de defeitos com profundidade superior a 20mm d) A inspecção visual é uma técnica muito económica e passo fundamental na sequência dos procedimentos de detecção de defeitos, não necessitando de um técnico certificado Grupo III Análise Quantitativa (6.0 valores) Uma outra alternativa ao caso prático proposto no Grupo I, é a utilização da tecnologia dos adesivos para realizar a ligação do Tubo em aço inoxidável ao Cotovelo em liga de alumínio. Esta ligação encontra-se representada na figura seguinte, sendo identificacada por Junta a colar 1. Tendo em vista a aplicação estrutural deste componente, irá ser colada, na extremidade livre do Tubo, uma Tampa em aço inoxidável AISI 301, com diâmetro de 30mm e espessura de 4mm. Esta ligação encontra-se representada na figura seguinte, sendo identificacada por Junta a colar 2. Com o objectivo de garantir a resistência mecânica e estanquecidade da junta, entre o Tubo e a Tampa considera-se um coeficiente de segurança de n=2.5. A pressão interna máxima no reservatório em que se vai encontrar este componente é de: Pressão interna P =10MPa. As dimensões do Tubo são: Diâmetro externo=30mm ; Espessura E=3mm. i 4

5 Responda às seguintes questões: a) (1.5 valores) Considerando um extensão de sobreposição do Tubo no interior do Cotovelo de L=6mm, calcule quais os valores de resistência mínima que o adesivo a seleccionar deve apresentar como características de resistência ao corte e à tracção. Valores mínimos de Resistência ao Corte [MPa] Resistência à Tracção [MPa] Adesivo Epóxido-Fenólico?? b) (1.5 valores) Qual a espessura, E, do Tubo e extensão de sobreposição, L, a utilizar, tendo em vista aplicar um adesivo com a resistência máxima à tracção e ao corte de 20MPa. c) (1.5 valores) Refira os principais requisitos que os conceitos geométricos de uma junta colada deve respeitar, representando-os esquematicamente. d) (1.5 valores) Proponha uma nova geometria para a Tampa, tendo em vista aumentar o nível de confiança da ligação colada. 5